Радіоактивні речовини, елементи і препарати

Радіоактивні речовини – речовини, до складу яких входять радіоактивні ізотопи і здійснюють іонізуюче випромінювання, наприклад, ⁴⁰К, ²³⁵U.

Радіоактивні речовини характеризуються за якісним або ізотопним складом, кількісним складом – числом протонів та нейтронів; за основними ядерними характеристиками (період піврозпаду, тип та енергія випромінювання)

За походженням радіоактивні речовини поділяють на природні й штучні. Основні радіоактивні ізотопи, які зустрічаються в гірських породах Землі, це калій-40, рубидій-87, і члени двох радіоактивних сімейств урану-238 та торію-232. Під дією космічної радіації утворюються ізотопи вуглецю-14 і тритію.

Радіоактивні речовини, як правило, випромінюють альфа- (позитивно заряджені атоми гелію) і бета- (електрони) частинки, гама- і гальмівне (електромагнітне високої енергії) випромінювання, нейрони, можуть бути протони і важкі ядра.

Нейтрон (n) – електрично нейтральна частинка ядра атома всіх елементів, за винятком водню, з масою спокою 1,00898 а.о.м. Нейтрони стійкі тільки у складі стабільних атомних ядер. Вільний нейтрон -0 нестабільна частинка, яка розпадається на протон, β-частинку та антинейтрино;. Середній час життя нейтрона становить 12,5хв.

Протон (р) – елементарна частинка будь – якого атомного ядра, яка визначає фізичні та хімічні властивості елементів. Маса спокою протона становить 1,00758а.о.м. (1,6725 х 10^{-24 г), тобто він у 1836 разів важче електрона. Протон має позитивний заряд, який дорівнює заряду електрона. Разом з нейтронами протони утворюють ядра атомів всіх хімічних елементів. Вільні протони складають основну частину первинної компоненти космічних променів. В ядрах атомів при певних умовах протон може перетворюватися у нейтрон і навпаки (позитронний розпад ядер і К-захоплення).}

Радіоактивний елемент – це хімічний елемент, всі ізотопи якого радіоактивні. Наприклад, уран, який складається з трьох радіоактивних ізотопів – ²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁸U, а також торій, полоній, плутоній, америцій та інші, до складу яких входять винятково радіоактивні ізотопи.

Радіонуклід – радіоактивні атоми з даним масовим числом і атомним номером, а для ізомерних атомів – і даним певним енергетичним станом атомного ядра.

Нукліди – загальна назва атомів, які вирізняються кількістю ядерних частинок. 

Радіонуклід – це нестійкий нуклід, такий, що розпадається. Термін “радіонуклід” застосовується для визначення атомів радіоактивних речовин, оскільки радіоактивні ізотопи, як правило, бувають у складі сполук і дуже рідко у вільному стані, наприклад радіонукліди ⁸⁹Sr, ⁹⁰Sr, ¹³⁴Cs, ²¹³⁷Cs тощо. За тривалістю періодів піврозпаду їх поділяють на три наступні групи:

- короткоживучі, у складі яких немає радіонуклідів з періодами піврозпаду, що перевищують 10 років;

- середньоживучі, що містять радіонукліди з періодом піврозпаду від 10 до 100 років включно;

- довгоживучі, які мають радіонукліди з періодами піврозпаду понад 100 років.

Радіоактивні гази – це радіонукліди, що знаходяться в газоподібному стані, а радіоактивна хмара – це місце конденсації радіонуклідів у газоподібному стані, з якого вони випадають на землю. Радіоактивні хмари створюються при наземних та повітряних ядерних вибухах. Інертним радіоактивним газом є радон. Період півроспаду радону становить 3,823 доби. Він у 7,5 тяжчий за повітря.

Радіоактивні препарати – радіоізотопи або їх сполуки з різними неорганічними або органічними речовинами, які застосовуються для діагностики і лікування пухлин. Радіоактивні препарати, які використовують для діагностики, не мають фармацевтичної дії, оскільки, вводяться в мінімальних дозах. З діагностичною метою застосовують ті радіоактивні препарати, які при введенні в організм включаються до обміну речовин або діяльності органів і систем органів, які вивчаються.

Радіоактивність (радіо – випомінюю + активність – дію) – явище спонтанного перетворення атомного ядра ізотопу одного хімічного елементу в ядро ізотопу того ж або іншого елементу і супроводжується іонізуючим випромінюванням.

Основний закон радіоактивного розпаду стверджує, що за одиницю часу розпадається однакова частка ядер, що є в наявності.

Розрізняють три види радіоактивності

1. поверхнева – Кі/км²; Бк/м²; розп/хв. З 1 см² тощо

2. питома – Кі/кг; Бк/кг тощо

3. об’ємна – Кі/л; Бк/л тощо

За одиницю радіоактивності в системі СІ прийнятий Беккерель (Бк).

Активність радіоактивного джерела в 1Бк (1 беккерель) дорівнює такій радіоактивності, при якій за 1 с в даному джерелі відбувається один спонтанний розпад. (тобто це така кількість радіоактивної речовини, чи елемента, в якій за 1 секунду розпадається 1 атом. 1 Бк=1розп/сек. Похідними від Бк є: 1 кБк=1 х 10³ Бк; 1МБк=1 х 10⁶ Бк

Позасистемною одиницею радіоактивності є Кюрі (Кі)

Радіоактивність джерела в 1 кюрі дорівнює такій активності, при якій відбувається 3,7 х 10¹⁰ актів розпаду за 1 с. тобто Кюрі – це така кількість радіоактивної речовини, чи елемента, в якій за 1 секунду розпадається біля 37 млрд атомів.

Отже, 1Кі = 3,7 х 10¹⁰ розп/с = 3,7 х 10¹⁰ Бк, або 2,22 х 10¹² розпадів за хвилину

 

Одиниці, що використовуються для вимірювання іонізуючого випромінювання наступні:

                    у системі CL                       несистемні

- активність - Бк (бекерель)                       Кі (кюрі)

- поглинута доза - Гр. (грей)                          Рад (рад)

- еквівалентна доза - Зв (зіверт)                    Бер (бер)

- експозиційна доза - Кл/кг (кулон на кг)     Р (рентген)

- ефективна еквівалентна доза – Зв (зіверт)  Бер.

 

Співвідношення між величинами одиниць радіації наступне:

1 Бк = 1 розпад/сек = 2,7 х 10^-11;

1Кі = 3,7 х 10¹⁰ Бк;

1 Гр = 100 рад = 1 Дж/кг;

1 рад = 10^-2 Гр = 100 Ерг/г;

1 рад = 1,14 Р;

1 Зв = 100 Бер = 1 Гр;

1 Зв = 1 Гр;

1 Бер = 10^-2 Зв = 10^-2 Гр (Бер - біологічний еквівалент рентгену);

1 Р = 2,5 * 10^-4 Кл/кг (кулон на кілограм).

 

Радіація характеризується своєю іонізуючою і проникливою здатністю.

Іонізуюча здатність – це кількість пар іонів, що утворюються частинкою в одиниці об’єму, маси середовища або на одиницю довжини шляху.

Проникаюча здатність радіації визначається довжиною пробігу частинки в речовині до її повного зникнення.

Типи ядерних перетворень

Ядра атомів стійкі, але змінюють свій стан при порушенні співвідношення протонів і нейтронів. В легких ядрах повинно бути приблизно порівну протонів і нейтронів. Існують такі типи ядерних перетворень, або види радіоактивного розпаду: альфа-розпад, бета – розпад (електронний, позитронний), електронний захват і внутрішня конверсія.

Альфа-розпад супроводжується викидом з ядра нестійкого елемента α-частинки, яка являє собою ядро атому гелію. При цьому воно втрачає 2 протони й 2 нейтрони і перетворюється в інше ядро, заряд якого менше на 2, а масове число на 4. отже, при такому розпаді, відповідно із правилом зміщення (сформульованим Фаянсом і Содді у 1913 році), створений дочірній елемент зміщується вліво відносно материнського на 2 клітини таблиці Менделєєва. Наприклад:

У процесі альфа – розпаду розрізняють дві стадії:

1- утворення альфа – частинок із нуклонів ядра

2 – випускання альфа - частинок

Бета-розпад. Це радіоактивний розпад ядра атома, що супроводжується виділенням з ядра електрона або позитрона однакових за масою елементарних заряджених частинок. Бета – розпад зумовлений невимушеним перетворенням одного з нуклонів ядра в нуклон іншого роду.

Якщо в ядрі є надлишок нейтронів («Нейтронне перевантаження ядра»), то відбувається електронний (β^-) розпад, при якому один із нейтронів перетворюється в протон, а з ядра вилітає електрон і антинейтрино ( – електрично нейтральна елементарна частинка з дуже високою проникною здатністю, що взаємодіє у парі з електроном і є часткою до нейтрино). При цьому розпаді заряд ядра і номер збільшується на одиницю, дочірній елемент здвинутий в таблиці Менделєєва на один номер вправо від материнського, а масове число залишається без зміни. Наприклад:

Якщо в ядрі є надлишок протонів, відбувається позитронний (β⁺) розпад. При цьому ядро викидає позитрон і нейтрино (ν – електрично нейтральна елементарна частинка, яка взаємодіє в парі з позитроном), а один із протонів перетворюється в нейтрон. Заряд ядра і атомний номер зменшується на 1 і дочірній елемент зміщується на 1 номер вліво від материнського елементу в таблиці Менделєєва. Масове число залишається без змін. Наприклад:

Позитрон, що вилетів із ядра, зриває з оболонки атома «зайвий» електрон, або взаємодіє з вільним електроном, утворюючи пару «позитрон 0 електрон»,яка миттєво перетворюється у 2 γ-кванти з енергією, еквівалентною масі частинок (е⁺+е^-). Процес перетворення пари в 2 γ-кванти називається анігіляція (знищення), а виникаюче електромагнітне випромінювання – анігіляційним. В даному випадку відбувається перетворення однієї форми матерії – частинок речовини, в іншу – γ-фотони. Таким чином, при позитронному розпаді і кінцевому результаті за межі материнського атому вилітають не частинки, а 2 γ-кванти, кожен з яких має енергію 0,511МеВ, що дорівнює енергетичному еквіваленту маси спокою частинок – позитрону та електрону.

Нейтрино і антинейтрино через відсутність у них заряду та маси спокою (остання наближається до нуля), мають надзвичайно високу проникну здатність при проходженні через речовину. Але це явище не супроводжується якимись ядерними взаємодіями.

При бета – розпаді енергія може бути розподілена між трьома частинками: електроном (або позитроном), антинейтрино(чи нейтрино) і ядром. Тому кожна з них може виносити практично будь – яку енергію, від близьких до нуля значень до повної енергії бета – розпаду. Тому енергія бета – частинок коливається в широких межах.

Внутрішня конверсія. Її суть полягає в тому, що ядро передає енергію збудження одному з електронів внутрішніх шарів (K, L, M) у результаті чого він виривається за межі атома. Такі електрони отримали назву електронів внутрішньої конверсії. Якщо енергія збудження перевищує 1,022 МеВ, то перехід ядра в нормальний стан може супроводжуватися випромінюванням пари «електрон – позитрон» з наступною їх анігіляцією. Після конверсії в електронній оболонці атому з’являється «вакантне місце вирваного електрона». Потім один із електронів з більш віддалених шарів і з більш високою енергією здійснює квантовий перехід на «вакантне» місце з виділенням характеристичного рентгенівського випромінювання.

Електронвольт (еВ) – одиниця вимірювання енергії, яку набуває електрон при проходженні електричного поля з різницею потенціалів 1В. (це енергія, якої набуває частинка, що має один елементарний електричний заряд(тобто заряд, що чисельно дорівнює заряду електрона), проходячи в просторі з різницею потенціалів в 1в(вольт).

1еВ=1,6 х 10^-12 ерг =1,6 х 10^-19 Дж

1 ерг=6,25 х 10⁵МеВ (мегаелектронвольт)

 

Електронний захват. Перетворення ядра може бути здійснено шляхом електронного захвату, коли один з протонів ядра захоплює електрон із однієї з оболонок атома, частіше всього з найближчого до нього К-шару або рідше (приблизно у 100 разів) з L-шару), і перетворюється в нейрон. Такий процес називається електронним, або К-чи L- захватом. Протон перетворюється в нейрон згідно реакції

 Порядковий номер нового ядра стає на одиницю менше порядкового номера вихідного ядра, а масове число не змінюється. Дочірній елемент в періодичній системі Мендєлєєва відстоїть на одну клітину вліво від материнського.

Місце, що вивільнилося (яке займав у К- або L-шарі захоплений електрон), заповнюється електроном з більш віддалених від ядра шарів оболонок атома. Надлишок енергії, що вивільнився при такому переході, виділяється атомом у вигляді характеристичного рентгенівського випромінювання. Атом зберігає електричну нейтральність, тому що кількість протонів у ядрі при електронному захопленні зменшується на одиницю.